Achter glas en in een speciale ‘cleanroom’ doet de James Webb Space Telescope (JWST) denken aan een museumstuk – een voorwerp dat bewonderd kan worden en behouden moet blijven. Maar de reis van het instrument is nog maar pas begonnen. Een leger technici is momenteel bezig met het gereedmaken van de telescoop, die binnenkort begint aan een ruimtereis van 1,6 miljoen kilometer naar een locatie vanwaar hij met zijn grote gouden oog zal terugkijken in de tijd, naar de eerste planeten, sterren en sterrenstelsels.
Voorlopig is dat oog, met een doorsnede van zesenhalve meter, nog gesloten en ligt de telescoop als een gesloten schelp in zijn cleanroom. Het tien miljard dollar kostende gevaarte glimt in tinten van goud, zilver en gekreukte lavendel en is te groot om in een van ’s werelds machtigste raketten te passen, de Ariane-5, zodat hij eerst moest worden opgevouwen.
De NASA betaalt het merendeel van de kosten van de missie, maar ook de European Space Agency (ESA), met een bijdrage van twee van de wetenschappelijke instrumenten aan boord, werkt mee aan het project. Daarom ook zal de ‘James Webb’, mogelijk al op 24 december, vertrekken vanaf ESA’s tropische ‘spaceport’ in Frans-Guyana – zijn laatste haven op aarde voordat hij naar een plek ver buiten het bereik van mensenhanden zal reizen.
Het uitgestrekte lanceercomplex van Kourou is uitgehakt in de jungle van het noordoostelijke Amazonegebied. Delen van de spaceport liggen in zulk afgelegen gebied dat men er soms jaguars over de verlaten wegen ziet sluipen. Binnenin de hoge en spelonkachtige gebouwen waar de raketten worden geassembleerd, klinken de betoverende melodieën van tropische vogels vaak luider dan het geluid van metaal op metaal dat de bouw van machines waarmee de mens naar de sterren reikt, begeleidt.
Het exotische landschap dat het complex omringt, dient in het geval van de James Webb als een toepasselijke herinnering aan de missie van de ruimtetelescoop: wetenschappers helpen te begrijpen hoe al dat leven is ontstaan. Hoe in een universum van moleculen, sterren, sterrenstelsels, zwarte gaten en planeten de juiste combinaties van ingrediënten ontstonden die nodig waren voor het leven op een planeet genaamd aarde. Zijn de omstandigheden die tot deze bruisende en lawaaiige biosfeer hebben geleid, misschien ook aanwezig op de miljoenen of mogelijk miljarden rotsachtige planeten in de Melkweg?
Om antwoorden op deze vraag te krijgen zal de James Webb honderden en misschien wel duizenden exoplaneten bestuderen. Hij zal beginnen met helse lavawerelden met een gesmolten oppervlak, die in luttele uren rond hun thuisster zoeven. Hij zal onderzoek doen naar werelden die de gewelddadige ondergang van hun thuisster op een of andere manier hebben overleefd en nu in een omloopbaan rond het verdichte restant ervan cirkelen. Hij zal de atmosfeer van gasreuzen analyseren; naar pasgeboren werelden speuren, in accretieschijven van stof en puin rond nieuwe sterren; en naar een handvol kleine, rotsachtige werelden turen die op de aarde zouden kunnen lijken.
Lees ook: Water ontdekt op potentieel levensvatbare exoplaneet
Van de duizenden exoplaneten die er tot nu toe in de Melkweg zijn gevonden, zijn er slechts een paar die doen denken aan de planeten van ons zonnestelsel. De overige zijn onmiskenbaar buitenaards.
‘Een van de belangrijkste ontdekkingen op het gebied van exoplaneten is dat de gevarieerdheid van deze groep binnen de Melkweg veel en veel groter is dan de diversiteit van de planeten in ons eigen zonnestelsel,’ zegt Natasha Batalha van het Ames Research Center van de NASA. ‘We willen inzicht krijgen in het proces dat heeft geleid tot het levensvatbare milieu op aarde. Is het feit dat de aarde over zuurstof en oceanen van vloeibaar water beschikt een uniek gegeven? Of komt dat vrij veel voor in de Melkweg?’
Maar eerst moet de James Webb zijn vurige lancering, een lange ruimtereis en een reeks extreem spannende momenten overleven die astronomen in de hele wereld naar het puntje van hun stoel zal doen opschuiven.
‘Ik ben wel wat zenuwachtig,’ zegt ESA’s Peter Jensen, hoofdconsultant voor de missie en voormalig projectmanager van de ruimtevaartorganisatie, terwijl hij door een raam van de cleanroom naar de glanzende schelp kijkt. Na de lancering moet de ruimtetelescoop een lange reeks van ‘alles-of-niets’-manoeuvres doorstaan die zich exact volgens plan moeten afspelen, waaronder het ontvouwen van zijn gouden spiegel en zijn zo belangrijke zonneschild. ‘Ik voel me betrokken bij de hele lancering,’ zegt Jensen. ‘Maar met mijn achtergrond als werktuigbouwkundig ingenieur voel ik me vooral betrokken bij al die mechanismen die moeten werken.’
Een Melkweg vol planeten
Zoals veel van de meest ambitieuze wetenschappelijke en technologische projecten van de mensheid is ook de ontwikkeling van de James Webb, van ontwerptafel naar lanceerplatform, een lange weg vol technische vertragingen en een uit de hand lopend budget geweest. Onlangs nog ontstond er ophef over de naam van de telescoop. Maar als alles volgens plan verloopt, zal dit vlaggenschip van het ruimteonderzoek, de opvolger van de eerbiedwaardige ruimtetelescoop Hubble, een hoorn des overvloeds aan nieuwe wetenschappelijke inzichten ontsluiten.
De James Webb zal het universum hoofdzakelijk in infrarood licht bestuderen. Als zijn reusachtige gouden oog eenmaal is geopend, zal de extreem gevoelige apparatuur van het observatorium in staat zijn om onderzoek te doen naar de uiterst verre en vage sporen van de allereerste sterren en sterrenstelsels die het heelal hebben bevolkt.
Lees ook: Exoplaneten: meer planeten dan sterren in de Melkweg
Die gevoeligheid zal ook bijdragen aan de directe waarneming van exoplaneten, en dat terwijl niemand kon voorzien dat hij ooit voor dit doel gebruikt zou worden: toen de James Webb in 1989 op de tekentafel werd geboren, waren er nog geen planeten rond andere sterren dan de zon ontdekt. De theorie van de planeetvorming voorspelde dat dergelijke exoplaneten bestonden, maar het was pas in 1992 dat de eerste van deze buitenaardse werelden werden ontdekt.
‘In de begintijd van het observatorium denk ik niet dat we het ooit over exoplaneten hebben gehad,’ zegt Jensen. ‘Exoplaneten kwamen pas veel later, toen we begonnen te ontdekken dat ze inderdaad bestonden.’
Ruimtetelescopen die onvermoeibaar naar exoplaneten in de Melkweg hebben gespeurd, zoals de Kepler-telescoop van de NASA, hebben onlangs aangetoond dat werelden in een omloopbaan rond andere sterren dan de zon zo talrijk zijn als het aantal zandkorreltjes op alle aardse stranden. Dankzij die overvloed is de James Webb in de unieke gelegenheid om enkele van de merkwaardigste van die werelden in detail te bestuderen.
Door het licht van hun thuisster met behulp van een coronograaf af te schermen, kan de James Webb enkele van deze extreem vage en verre planeten direct in hun omloopbaan waarnemen – zelfs werelden die zich nog aan het vormen zijn. De telescoop kan ook dwars door buitenaardse atmosferen turen en daaruit opmaken in welke nevelen ze zijn gehuld en hoe ze zich hebben ontwikkeld. Bovendien kan de James Webb uit het weerkaatste licht van de dagzijde van een exoplaneet de moleculaire handtekening van die planeet aflezen.
‘Hoe zijn deze exoplaneten ontstaan en hoe hebben ze zich tot op heden ontwikkeld? En welk scenario leidt tot een eventueel levensvatbare exoplaneet?’ zegt NASA’s Knicole Colón, die onderzoek doet naar buitenaardse werelden en adjunct-projectwetenschapper is voor de exoplanetaire missie van de James Webb. ‘Om deze vragen te beantwoorden, moeten we alles bestuderen wat we kunnen bestuderen,’ zegt zij. ‘Want onder de planeten van ons eigen zonnestelsel is er maar één waarop leven is ontstaan.’
Het ‘lezen’ van atmosferen
Ongeveer een halfjaar nadat de James Webb op zijn locatie in de ruimte is gearriveerd, zal de telescoop beginnen met het opzuigen van sterrenlicht en het bestuderen van verre werelden. Wanneer exoplaneten in hun omloopbaan korte tijd voor hun thuisster langs schuiven, zal het licht van die thuisster even door hun atmosfeer schijnen, waardoor de James Webb de spectrografische handtekening van de gassen die door dat licht worden beschenen, kan lezen.
Tot de eerste doelwitten van de telescoop behoort een bont gezelschap van extreme stersystemen en planetaire mavericks, waaronder WD 1856b, een reuzenplaneet die in een omloopbaan rond het restant van een ster cirkelt, en HD 80606b, een planeet waarvan de extreem elliptische en gekantelde omloopbaan rond zijn thuisster meer doet denken aan die van een komeet dan aan gebruikelijke planetaire banen, die cirkelvormiger zijn en gewoonlijk in het schijfvlak van het stersysteem liggen.
Volgens Colón zouden dit soort extreme stersystemen ons meer kunnen vertellen over de manier waarop verschillende soorten planeten zich ontwikkelen en overleven. En door de gassen in de atmosfeer van talloze exoplaneten rond deze sterren te analyseren, zal de James Webb wetenschappers meer inzicht geven in de grootte, temperatuur en evolutie van deze planeten, en in hun klimaat en andere eigenschappen. ‘Hoe verhouden al deze atmosferen – van exoplaneten ter grootte van Jupiter tot aardachtige planeten – zich tot elkaar?’ vraagt Colón zich af.
Veel van de eerste waarnemingen van de ruimtetelescoop zullen gericht zijn op zogenaamde ‘hete Jupiters’, een klasse exoplaneten die we in ons eigen zonnestelsel niet kennen. Deze reuzen cirkelen in zeer krappe omloopbanen – en in een kwestie van uren of dagen – rond hun thuisster en behoren tot de meest voorkomende exoplaneten die tot nu toe door astronomen zijn waargenomen.
Natalie Batalha van de University of California in Santa Cruz leidt een van de eerste observatiecampagnes met betrekking tot exoplaneten van de James Webb. Zij en haar team zullen drie ‘hete Jupiters’ observeren: WASP-39b, WASP-18b en NGTS-10b. De onderzoekers zullen alle vier instrumenten aan boord van de ruimtetelescoop op deze objecten loslaten en daarbij speuren naar het gehalte aan koolstof en zuurstof in hun atmosfeer, waaruit ze hopen af te leiden op welke plek deze planeten in hun stersysteem zijn ontstaan. Het team zal de observaties van de James Webb ook vergelijken met eerdere observaties van de Hubble.
‘We wilden een baseline vaststellen waartegen we de gegevens kunnen afzetten,’ zegt Batalha. ‘Daarbij kijken we naar wat we al van Hubble wisten, maar er zullen zeker verrassingen en compleet nieuwe dingen opduiken.’
Lees ook: Nieuwe aardachtige exoplaneet rond naburige ster ontdekt
Een ander fascinerend type exoplaneet dat we in ons eigen zonnestelsel niet kennen, is de ‘superaarde’ of ‘mini-Neptunus’ – werelden die groter zijn dan de aarde maar kleiner dan Neptunus, zoals Gliese 486b, GJ 1132b en K2-18b.
‘Die werelden vallen net buiten het bereik van de Hubble, maar het is een heel belangrijke klasse van planeten. Ze behoren tot de meest voorkomende exoplaneten die we kennen en we weten gewoon niet hoe ze ontstaan,’ zegt Laura Kreidberg van het Max-Planck-Institut für Astronomie in Heidelberg. ‘We ruziën daar nog over: zijn deze dingen werkelijk ‘superaardes’, of zijn het ‘mini-Neptunussen’ of iets anders?’
Om vast te stellen of deze exoplaneten levensvatbaar zijn, is het van cruciaal belang om te bepalen of ze een atmosfeer hebben en wat de samenstelling van die atmosfeer is. Natasha Batalha, Natalie’s dochter, is een van de leiders van een ander omvangrijk programma voor het observeren van exoplaneten door de James Webb, waarbij ongeveer een dozijn van deze middelgrote planeten zal worden bestudeerd.
Of zulke werelden levensvatbaar zouden kunnen zijn, hangt af van de vraag op welke plek en wijze ze zijn ontstaan en hoe ze zich daarna hebben ontwikkeld. Volgens Natalie Batalha zouden sommige van deze exoplaneten kernen van voormalige Neptunussen kunnen zijn, die hun dichte omhulsel van gassen zijn kwijtgeraakt. Dat zou ze niet erg levensvatbaar maken. Andere liggen net op de grens tussen grote rotsachtige werelden en kleine gaswerelden – een overgangsgebied waar wetenschappers graag meer over willen weten.
Tot de andere doelwitten waarop de ruimtetelescoop zich vanaf het begin zal richten, behoren hete rotsachtige planeten die in een krappe omloopbaan rond hun thuisster cirkelen, waardoor ze eerder doen denken aan geroosterde brokken houtskool dan aan oververhitte gasbollen. Op deze werelden, waartoe ook 55 Cancri e en K2-141b behoren, zou het gloeiende druppels lava kunnen regenen, uit wolken die bestaan uit steentjes en mineralen, waardoor er landschappen zouden ontstaan die ons voorstellingsvermogen te boven gaan. Kreidberg wil uitzoeken wat de samenstelling is van het oppervlak van een lavawereld genaamd LHS 3844b en achterhalen of deze planeet niet toch een zeer ijle atmosfeer heeft weten te behouden.
‘Rotsachtige planeten – dat is waar de James Webb volgens mij echt naam mee zal maken,’ zegt Kreidberg. ‘Niet zozeer op het gebied van biosignaturen, maar meer wat betreft de basisvragen. Onder welke omstandigheden zou een planeet zijn atmosfeer kunnen behouden? Hoe heet kan een planeet worden voordat zijn atmosfeer de ruimte in verdampt? En áls een exoplaneet een atmosfeer heeft, uit welke basiselementen is die dan opgebouwd?’
De James Webb zal ook de zeven rotsachtige planeten – allemaal ongeveer zo groot als de aarde – van het stersysteem TRAPPIST-1 gaan onderzoeken. Deze planeten draaien in omloopbanen rond een ster die relatief dicht bij onze zon staat en niet veel groter is dan Jupiter. De omloopbanen van drie van deze exoplaneten liggen in de gematigde zone rond de ster. TRAPPIST-1e, een van de eerste werelden waarop de telescoop zich zal richten, biedt misschien de beste kansen op aardachtige omstandigheden, terwijl TRAPPIST-1c, een ander vroeg doelwit van de James Webb, dichter om zijn thuisster draait en wat betreft oppervlaktetemperaturen waarschijnlijk meer op Venus lijkt.
‘Het doel van dat programma is heel eenvoudig,’ zegt Kreidberg, die de leiding heeft over de observaties van TRAPPIST-1c. ‘Het gaat erom dat we uitzoeken of deze planeet een atmosfeer heeft of niet. Momenteel hebben we geen idee.’
Foto’s van exoplaneten
Niet alle planetaire objecten die de James Webb in het vizier zal nemen, schuiven voor hun thuisster langs. Sommige beschrijven omloopbanen die honderden malen ruimer zijn dan die van de aarde rond de zon, waarbij de ruimtetelescoop deze stersystemen niet van opzij maar alleen van onderen (of van boven) kan observeren.
Lees ook: Vorming van maan rond planeet voor het eerst vastgelegd
Een deel van de eerste exoplaneten die bekeken zullen worden, zal door de James Webb direct geobserveerd worden, waarbij het felle schijnsel van de thuisster wordt afgeschermd. Maar ook dan zullen er op deze directe foto’s van exoplaneten niet meer dan zeer vage lichtvlekjes te zien zijn. De meeste van deze directe waarnemingen zijn gericht op gas- en mogelijk ijsreuzen – grote planeten waarvan de omloopbanen ver van hun thuisster liggen, waardoor ze gemakkelijker zijn te zien als het schijnsel van hun thuisster wordt afgeschermd. Dankzij deze waarnemingen zullen wetenschappers meer te weten komen over de opbouw van de atmosfeer van deze planeten, over het type wolken op deze werelden en over de concentraties aan moleculen als methaan en koolmonoxide in hun atmosfeer, waaruit de onderzoekers kunnen afleiden op welke locatie de planeten zijn ontstaan.
‘De vorming van planeten is een ongelooflijk rommelig proces. Overal slingert stof en puin rond,’ zegt Sasha Hinkley van de University of Exeter, die de leiding heeft over een van de programma’s voor directe waarnemingen van exoplaneten. Als astronomen met behulp van de James Webb de samenstelling van een planeet meten, zullen ze daarbij moeten uitzoeken uit welke bestanddelen de planeet oorspronkelijk is opgebouwd en welke bestanddelen hij gedurende zijn verdere evolutie heeft aangetrokken. ‘Nature or nurture,’ zegt Hinkley. ‘Aanleg of ontwikkeling, dat is wat we proberen te ontcijferen.’
De directe observaties zullen wetenschappers bovendien helpen bij de speurtocht naar planeten rond sterren als Alpha Centauri A, een van de dichtstbijzijnde sterren ten opzichte van de aarde. Al jaren vragen wetenschappers zich af of er ook exoplaneten rond deze meest nabije van alle sterren cirkelen, waarbij de eerste aanwijzingen voor één zo’n wereld nog niet zijn bevestigd. Tot de andere stersystemen die de James Webb zal fotograferen, behoren HR 8799, waar minstens vier grote exoplaneten rond een thuisster draaien; Beta Pictoris, dat minstens twee grote planeten omvat; en 51 Eridani, dat een van de koudste en minst massieve exoplaneten omvat die tot nu toe met behulp van directe observaties zijn ontdekt.
De lange zoektocht naar leven
De James Webb vormt een belangrijke stap richting meer kennis van de planeten in ons zonnestelsel, maar het is onwaarschijnlijk dat de telescoop levenstekens gaat opvangen - tenzij de wetenschappers heel veel geluk hebben. Dergelijke observaties zouden het uiterste vergen van waar de telescoop toe in staat is, en bovendien heel veel observatietijd in beslag nemen.
‘Het gaat moeilijk worden om leven te vinden, en ik ben er zeker niet van overtuigd dat we een biosignatuur zullen opvangen. Maar ik denk wel dat we iets kunnen zeggen over de dampkring van planeten rond kleine sterren,’ vertelt Kevin Stevenson van het Johns Hopkins Applied Physics Laboratory. Hij gaat vijf rotsplaneten observeren met de James Webb.
Voor de zoektocht naar biosignaturen op verafgelegen planeten moeten bepaalde combinaties van gassen of chemische bestanddelen worden gedetecteerd die volgens wetenschappers waarschijnlijk niet door alleen geologische processen ontstaan. En hoewel astrobiologen wel enig idee hebben waar we naar zouden kunnen zoeken (methaan, ozon en andere metabolische bijproducten) is onbekend welke vorm het leven op andere planeten mogelijk aan zou kunnen nemen.
Een aantal rotsachtige planeten die ongeveer even groot zijn als de aarde, zijn de eerste kandidaten voor dergelijk onderzoek. Maar die draaien om kleine, roodachtige sterren waarop vaak stormachtige uitbarstingen van straling voorkomen, die het planeetoppervlak waarschijnlijk steriel maken. De James Webb gaat als eerste proberen te bepalen of dergelijke planeten überhaupt een dampkring hebben.
‘Er is nog steeds zo veel onduidelijkheid over de vraag of een planeet bij zo'n kleine ster eigenlijk wel een dampkring kan hebben,’ zegt Natasha Batalha. ‘Vergeet die biosignaturen maar even, is er wel bewijs voor een atmosfeer?’
Lees ook: NASA vindt 219 mogelijke exoplaneten, waaronder tien ‘aardachtige’
De James Webb kan wel een fundament leggen voor toekomstige pogingen om biosferen te vinden.
‘Wat we tot dusverre hebben waargenomen, is dat elke exoplaneet een sneeuwvlok is. Dat wil zeggen dat ze allemaal uniek zijn, en dat het ons niet lijkt te lukken om chocola te maken van alle vondsten bij elkaar,’ zegt Stephenson. ‘Ik denk dat de Webb-telescoop ervoor gaat zorgen dat we een volledig beeld krijgen, waardoor we inzicht kunnen krijgen in deze planeten.’
Uiteindelijk kunnen wetenschappers met behulp van de telescoop bepalen of het bestuderen van de silhouetten van atmosferen (op het moment dat planeten voor hun ster langs passeren) een goede methode is om op zoek te gaan naar levenstekens.
‘Het zou kunnen dat we ontdekken dat we de signalen waar we naar op zoek zijn zo niet kunnen opvangen,’ aldus Stevenson. ‘Er is mogelijk een ondergrens aan wat deze methode ons kan vertellen over planeten waar eventueel leven op kan bestaan. En dat zou ook prima zijn, want als we die grens eenmaal kennen, kunnen we verder kijken naar andere methodes.’
Hoewel de James Webb nog steeds op aarde staat, zijn wetenschappers nu al bezig met het ontwerp van zijn opvolger: een grote ruimtetelescoop die specifiek bedoeld is om biosignaturen te ontdekken op aarde-achtige exoplaneten. De lancering van dit instrument laat echter nog decennia op zich wachten, waardoor de exoplanetaire observaties van de James Webb in de tussentijd des te belangrijker zijn.
‘Het grote publiek wil graag dat we ergens leven vinden. Dit is allemaal nodig om erachter te komen waar de kans het grootst is dat we dat vinden,’ stelt Natalie Batalha. ‘We moeten de fysieke processen achter de diversiteit gaan begrijpen om te weten waar omgevingen zijn waar leven kan bestaan.’
Al deze veelbelovende mogelijkheden zijn nu nog samengepakt boven op een raket, op een plek omringd door tropisch oerwoud dat zich uitstrekt richting een warme, koffiekleurige zee. Misschien ontdekken we ooit of er buitenaardse landschappen zijn die bedekt zijn met een weelderig oerwoud, of er onwereldse insecten rondvliegen in verre atmosferen, en of onaardse rivieren en zeeën ook de oorsprong zijn van leven.
De eerste stap daartoe is om kennis te maken met onze naburige exoplaneten. Dankzij de James Webb kunnen we ze in groter detail bekijken dan ooit.
Dit artikel werd oorspronkelijk gepubliceerd in het Engels op nationalgeographic.com
